楊?yuàn)^華， 湯 煒

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

0 引言

為了支持各種新興的服務(wù)和設(shè)備，無(wú)線通信正大勢(shì)發(fā)展，而用戶對(duì)通信質(zhì)量的要求越來(lái)越高使得許多學(xué)者都在關(guān)注如何提高天線性能。目前，天線正往小型化，多頻帶，多功能等方向發(fā)展[1-4]。傳統(tǒng)天線以電導(dǎo)體平面作為反射面，根據(jù)鏡像原理，水平天線在理想電導(dǎo)體(PEC，Perfect Electric Conductor)面上會(huì)產(chǎn)生與原來(lái)電流方向相反的鏡像電流，反射場(chǎng)產(chǎn)生1800的相位差。這時(shí)候要保證水平輻射天線與反射面之間的距離不小于 λ/4（λ是工作頻率的自由空間波長(zhǎng)），以減小入射波與反射波之間的干擾[5]。故而采用PEC反射板不利于天線的小型化。

人工磁導(dǎo)體(AMC，Artificial Magnetic Conductor)具有理想磁導(dǎo)體的零相位反射特性，可用作反射面以降低天線的高度[6],且采用AMC反射面時(shí)，入射場(chǎng)與反射場(chǎng)同相疊加使得天線增益將提高3 dB。此外，AMC具有高阻抗表面特性能提高陣列天線的前后比。該文將目標(biāo)集中在長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE，Long Term Evolution) 通信中的2 500～2 690 MHz頻段，設(shè)計(jì)了一款寬頻帶的高增益低剖面天線。

1 單元設(shè)計(jì)與分析

常見(jiàn)的AMC模型可分為兩類(lèi)，一類(lèi)為過(guò)孔式結(jié)構(gòu)，另一類(lèi)為無(wú)過(guò)孔結(jié)構(gòu)。過(guò)孔式結(jié)構(gòu)與無(wú)過(guò)孔結(jié)構(gòu)都具有零相位反射特性，且無(wú)過(guò)孔結(jié)構(gòu)少了短路探針，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該文主要利用其零相位反射特性因而采用無(wú)過(guò)孔結(jié)構(gòu)。圖 1是本文提出的梅花形AMC單元。介質(zhì)板的一邊是梅花形狀的貼片，另一邊接地。梅花貼片是由四個(gè)大小相等，相互對(duì)稱(chēng)的圓形貼片融合而成。結(jié)構(gòu)上層的梅花形金屬貼片表現(xiàn)為容性，而下層的接地介質(zhì)板表現(xiàn)為感性，整個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于頻率選擇表面（FSS，F(xiàn)requency Selective Surface）加上接地板[7]。

圖1 AMC單元

2 結(jié)構(gòu)仿真

單元結(jié)構(gòu)中介質(zhì)板的型號(hào)是羅杰斯 RT/Duroid 6010，其相對(duì)介電常數(shù)為10.2，厚度為3 mm。在設(shè)計(jì)天線的過(guò)程中，反射相位是一個(gè)需要特別考慮的參數(shù)，因?yàn)榉瓷湎辔惶匦灾苯佑绊懙胶铣商炀€的性能。AMC單元的帶寬是反射場(chǎng)的相位在±900之間的頻段。經(jīng)有限元法計(jì)算，圖 2給出了梅花單元的反射相位曲線。由圖可知，該單元的中心頻率為4.05 GHz，900對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)為3.61 GHz，-900對(duì)應(yīng)的頻率為4.51 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)22.2%。

圖2 梅花形狀A(yù)MC的反射相位曲線

3 天線設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)

此前提及的 AMC單元都是基于無(wú)限大周期結(jié)構(gòu)的理論模型，但在實(shí)際中，不可能采用無(wú)限大的周期結(jié)構(gòu)作為反射板。該文以 5×7梅花陣列代替無(wú)限大周期結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩款低剖面天線。一款是采用偶極子天線作為輻射天線來(lái)驗(yàn)證可行性，而另一款是采用蝶形印刷天線來(lái)拓展帶寬。

3.1 偶極子天線設(shè)計(jì)

圖 3所示的是采用偶極子天線作為輻射天線的合成天線。介質(zhì)板的厚度h1=3 mm，水平天線與AMC反射面的間距h2=5 mm，圖1中的參數(shù)r=2.3 mm，單元尺寸a =10.2 mm，偶極子單臂長(zhǎng)度l=17.4 mm。天線總體高度為9 mm。

圖3 合成天線

仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4得合成天線的S11參數(shù)在-10 dB以下的頻率范圍是3.21～3.52 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到8.68%。圖5給出了增益模型的E面與H面，由圖可知中心頻率的增益達(dá)到10.67 dBi。E面與H面的半功率波束寬度分別為66°與37°。從上述結(jié)果得出，合成天線由于三單元的八木天線。

圖4 合成天線的S11曲線

圖5 偶極子天線的E面和H面增益方向圖

3.2 蝶形天線設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)中設(shè)計(jì)的偶極子天線由于窄帶寬而不能直接應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中。在寬帶天線中，蝶形天線[8]由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，剖面低等優(yōu)點(diǎn)，常被用作輻射天線。圖 6所示的是一個(gè)蝶形印刷天線位于梅花形反射面上。輻射天線是在介質(zhì)板的兩邊分別蝕刻方向相反的蝶形單臂。介質(zhì)板采用的是羅杰斯 TMM4(tm),其相對(duì)介電常數(shù)為 4.5，厚度為 0.5 mm。兩個(gè)蝶形臂分別通過(guò)50 ?的傳輸線饋電。各個(gè)幾何參數(shù)設(shè)置如下：Dx=94.15 mm，Dy=56.625 mm。蝶形臂的長(zhǎng)度d=17.8 mm，l1=11 mm，l2=4 mm.

為了獲得更低工作頻率，讓天線工作于LTE頻段中，AMC的單元尺寸必須增大。圖1中的參數(shù)修改為r=3.28 mm，a=13.45 mm。為了使天線的性能最佳，將h2設(shè)置為變量。圖7顯示的是h2分別為4.5 mm、6 mm、7.5 mm、9 mm時(shí)的S11參數(shù)。

圖6 蝶形天線

圖7 懸置于AMC表面上的蝶形天線的S11曲線

由圖7得出結(jié)論，當(dāng)高度h2=6 mm時(shí)，S11在-10 dB以下的頻率范圍最寬，從2.47～2.77 GHz,覆蓋了LTE從 2.5～2.69 GHz的范圍，并且相對(duì)帶寬達(dá)到了11.63%。圖8顯示了中心頻率2.58 GHz增益模型的E面與H面。其峰值增益為9.67 dBi，前后比大于25 dB，結(jié)果顯示優(yōu)于傳統(tǒng)天線。同時(shí)，天線總體高度只有9.5 mm，相當(dāng)于2.58 GHz自由空間波長(zhǎng)的1/12。

圖8 蝶形天線的E面和H面增益方向圖

4 結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種新型的用于LTE通信系統(tǒng)中的高增益低剖面天線。通過(guò)數(shù)值仿真顯示了梅花形AMC的寬帶性能。同時(shí)，采用蝶形印刷天線作為輻射天線可獲得更寬的帶寬。通過(guò)優(yōu)化得到合成天線的總體高度為9.5 mm，相當(dāng)于工作頻率自由空間波長(zhǎng)的1/12。而且，天線的增益達(dá)到9.67 dBi，高于三單元八木天線。

[1] 鐘順時(shí).天線理論與技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011:465-481.

[2] 李嘯嘯,袁正道,朱燦焰.一種雙饋雙頻天線的設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試[J].通信技術(shù),2011,44(12):13-18.

[3] 陸小芳,單志勇.一種新型小型雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)與分析[J].通信技術(shù),2011,44(04):55-58.

[4] 王國(guó)超,許家棟.改進(jìn)共面波導(dǎo)饋電的雙頻單極子天線設(shè)計(jì)[J].信息安全與通信保密,2010(07):35-41.

[5] TRENTINI G V.Partially Reflecting Sheet Arrays[J].IRE Trans. on Antennas Propag.,1956(04):666-671.

[6] SIEVENPIPER D,LIJUN Z,BROAS R F J,et al.High-impedance Electromagnetic Surfaces with a Frbidden Frequency Band[J].IEEE Trans. on Microw.Theory Tech.,1999,47(11):2059-2074.

[7] DIAZ R,SANCHEZ V,CASWELL E,et al.Magnetic Loading of Artificial Magnetic Conductors for Bandwidth Enhancement[C].USA:IEEE,2003:431-434.

[8] A1-NUAIMI M K T,WHITTOW W G.Novel Planar AMC for Low-profile Antenna Applications[J].Antenna and Propagation Conference,2009(16-17):145-148.